2.1.4.1. Giới thiệu
Mạch chuyển đổi Buck đồng bộ đƣợc chú ý rất nhiều trong chuyển đổi điện áp thấp vì hiệu quả cao và diện tích nhỏ. Một trong những lý do chính của việc không sử dụng FET đồng bộ từ rất sớm là có sự khác nhau về chi phí rất lớn giữa FET và diode Schottky. Hơn nữa, do điện áp ra nói chung là lớn hơn (5V hay hơn), sụt áp trên Schottky không lớn nhƣ hiện nay. Vì công nhệ FET đã đƣợc cải thiện, cung cấp suất dẫn điện với giả rẻ chƣa từng có. FET trở thành lựa chọn chính chƣ không phải Schottky. Thậm chí quan trọng hơn, sụt áp "chuyển" của FET có thể so ngẫu nhiên với Schottky nhƣ là chỉ tiêu chính với điện áp ra dao động quanh 1 volt. Cấu hình buck đồng bộ cũng đƣợc coi là phù hợp cho mạch nguồn Envelope Tracking vì tính động lực đơn giản và khả năng quét đối xứng.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 2.1.4.2. Cấu hình
Cấu hình này sử dụng trong bộ chuyển mạch bù (hình 2.11) để chuyển đổi năng lƣợng đến mạch lọc điện cảm từ nguồn.
Hình 2.11. Chuyển mạch bù
Mạch chuyển đổi buck đồng bộ cơ bản là giống với mạch chuyển đổi buck step- down với sự thay thế diode "catch" bằng chuyển mạch FET, hay mạch chỉnh lƣu đồng bộ. Mạch MOSFET ở trên thực hiện chuyển năng lƣợng từ đầu vào (giống nhƣ mạch chuyển đổi buck thông thƣờng) và nạp dòng cuộn cảm. Khi chuyển mạch ở trạng thái off, mạch MOSFET phía dƣới mở để dẫn dòng từ cuộn cảm và cung cấp một đƣờng đi cho dòng điện cuộn cảm khi phóng.
Mạch điều khiển và mạch dẫn đồng bộ thời gian của cả hai của cả hai MOSFET với tần số chuyển mạch. PWM đồng bộ điều khiển khối điều chỉnh điện áp ra bằng cách điều chế khoảng dẫn của MOSFET trên và dƣới. Cấu hình này cải thiện hiệu quả với thời gian chuyển mạch mở nhanh hơn và trở kháng nối tiếp FET (rdson) so với diode. trong trƣờng hợp tải nhỏ, khối điều khiển thƣờng tắt MOSFET phía dƣới để mô phỏng diode, thao tác này đƣợc thực hiện vì tổn hao công suất cao hơn khi bật chuyển mạch FET lớn ở chế độ on và off so với trở kháng của bản thân chuyển mạch.
2.1.4.3. Những cải tiến
Chỉnh lƣu đồng bộ làm tăng hiệu suất của chuyển mạch buck bằng cách thay diode Schottky bằng một mạch low-side NMOS FET. Sụt áp nhận đƣợc trên MOSFET có thể nhỏ hơn sụt áp của diosde Schottky. Để chứng minh rằng hiệu suất tăng lên khi thay diode bằng MOSFET ta sử dụng hệ phƣơng trình sau đây. Đầu tiên xem xét
Điều khiển PWM đồng bộ
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ trƣờng hợp khi chúng ta có một diode Tổn hao công suất trên diode có thể biểu diễn bằng phƣơng trình 2-1.
PD = VD .(1-D).I0 (2-1)
Chú ý nó nhân với (1-D) trong giai đoạn OFF. Vì diode gây ra trạng thái OFF. Giả thiết điện áp vào là 5v và điện áp ra là 3,3v, và dòng tải là 10A. Trong trƣờng hợp này chu kỳ làm việc là 66% và diode sẽ ở trạng thái ON trong 34% thời gian. Một diode thông thƣờng ở 0,7V sẽ gây tổn thất là 2,38W
Ta có phƣơng trình cho chuyển mạch. PS2 = I2
o.RDSON.(1-D) (2-2) Có thể thấy rằng tổn hao công suất phụ thuộc rất nhiều vào chu kỳ làm việc, một chỉnh lƣu đồng bộ nói chung có tổn hao công suất thấp hơn so với loại thông thƣờng hay diode Schottky, và nó cũng sử dụng tƣơng đối phổ biến trong các bộ chuyển đổi DC/DC điện áp thấp. Cũng nhƣ vậy để có hiệu suất cao quan hệ sau đây nhất thiết phải tồn tại I2
o.RDSON<<VD. 2.1.4.4. Các vấn đề
Cấu hình này cần các linh kiện và chuyển mạch logic bổ sung. Cấu hình chuyển đổi này cũng có hiệu suất thấp khi tải lớn (vì năng lƣợng mất khi bật thiết bị), một vấn đề có thể hạn chế đáng kể tuổi thọ pin của các thiết bị xách tay với thời gian ở trạng thái "nghỉ - stand by" lớn và do đó làm giảm đáng kể hiệu suất chuyển đổi. Do nhiều thiết bị xách tay hoạt động ở trạng thái chờ công suất thấp trong phần lớn thời gian chúng đƣợc bật, việc tăng hiệu suất chuyển đổi khi làm việc với tải lớn có thể tăng đáng để tuổi thọ của pin. Mạch SRBC đòi hỏi 2 chi tiết lọc thụ động rời. Các linh kiện này tăng đáng kể tổng chi phí và kích thƣớc của hệ thống.
Chỉnh lƣu đồng bộ với mạch MOSFET rời có thể gây trễ việc chuyển mạch với mức độ khác nhau vì sự thay đổi điện áp đặt ở cổng và điện áp ngƣỡng từ MOSFET này sang MOSFET khác. Các mạch điều khiển tiêu chuẩn sẽ bù cho những thay đổi này bằng cách làm chậm mạch bật (turn-on) của MOSFET bên dƣới đến khi điện áp cổng của MOSFET trên tụt xuống dƣới ngƣỡng. Độ trễ này gây ra thời gian chết trong hoạt động của MOSFET này hay MOSFET kia. Thời gian chết loại bỏ khả năng đánh
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ thủng nguy hại của chế độ dẫn của cả hai MOSFET một lúc. Các thiết kế tiêu chuẩn sử dụng cùng phƣơng pháp để làm chậm thời gian bật của MOSFET trên.